超声冲击法提高焊接接头疲劳特性研究进展

焊接结构的失效以疲劳断裂为主,且焊接结构强度主要是由焊接接头的疲劳强度决定的。因此,改善焊接接头疲劳性能将显著提高焊接结构的整体性能。超声冲击处理是一种有效改善焊接接头疲劳性能的表面强化技术。研究表明,该技术通过改善焊接接头几何外形,细化表层晶粒及引入有益残余压应力可大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。综述了超声冲击处理对焊接接头疲劳性能影响的研究现状,分析了影响焊接接头疲劳性能的因素,总结了超声冲击改善焊接接头疲劳性能的结果,对目前研究过程中存在的问题进行探讨,最后展望了超声冲击表面纳米化技术的应用前景。     

超声冲击处理钛合金焊接接头的性能研究

采用超声冲击工艺,处理了钛合金两种型式的焊接接头。试验结果表明:超声冲击处理可显著降低接头焊接残余应力,并可提高接头的疲劳强度和疲劳寿命。其中对于Ti80合金的对接接头和十字接头,疲劳极限分别提高22.7%和64.5%,疲劳寿命分别提高5.4倍和13.5倍;对于TA2和Ti75合金的对接接头,焊接残余应力分别降低68%和65%。     

超声冲击改善高强钢焊接接头残余应力的数值模拟分析

通过将数值模拟技术应用于超声冲击工艺的研究,合理处理超声冲击加载方式和接触条件,建立了超声冲击工艺有限元分析模型,计算结果与试验结果吻合较好。研究结果表明,10Ni5CrMoV钢焊趾部位存在高达660MPa的残余拉应力,超声冲击技术能够改善其残余应力分布,在焊趾部位形成超过400MPa的残余压应力。     

超声冲击处理对铝合金焊接应力的影响

为了探究超声冲击处理(UIT)对铝合金材料焊接应力的影响,采用有限元分析软件AQAQUS建立了7A52铝合金双丝熔化极隋性气体保护焊(MIG)焊接模型和超声冲击处理耦合模型,得到了冲击后的应力场,分析了冲击前后残余应力分布特点;通过改变冲击针移动速度、冲击位置以及冲击针直径,分析其对焊接应力的影响规律,旨在探讨超声冲击处理对铝合金焊接应力改善的影响规律。计算结果表明,超声冲击处理能够显著改善焊缝和热影响区的焊接残余应力,且超声冲击处理对焊趾处的冲击比对焊缝处冲击产生的压应力数值大、范围宽;随着冲击移动速度的增加,焊接接头处压应力值逐渐减小,且移动速度增加到一定程度将会出现欠处理状态,达不到产生压应力的效果;冲击针直径对焊后残余应力影响较大,随着冲击针直径的增大,其接头处压应力值会增加,且产生的纵向残余压应力区间会增大;经过超声冲击处理后的试验和数值计算表明,材料模型中是否考虑应变率对应力结果影响很大,应该根据实际材料的应变率硬化程度建立准确的材料模型。     

超声冲击对纯钛材焊接接头疲劳性能的影响

目前,有关超声冲击法对工业纯钛焊接接头疲劳性能改善效果的影响研究报道不多。采用超声冲击处理方法对工业纯钛TA2焊接接头进行全覆盖强化处理,通过疲劳对比试验分析了不同超声冲击处理时间对TA2焊接接头疲劳性能的影响;通过接头微观组织、断口形貌观察分析了超声冲击处理提高TA2焊接接头抗疲劳断裂性能的微观机理。结果表明,在200 MPa应力条件下,原始焊态试样平均历经11 645次循环就已断裂,经超声冲击处理3 min的焊接试样平均历经23 424次循环后才断裂,疲劳寿命提高约1倍;在超声冲击过程中,试样表层受到大的应变量、高应变速率和重复载荷的作用,使得形变孪晶不断增加;重复载荷的作用,可以再次在内部产生更加细小的孪晶,孪晶与孪晶间重复交割导致晶粒进一步细化。     

超声捶击提高超细晶粒钢焊接接头的疲劳性能

焊接接头疲劳强度是其最重要的服役性能，由于焊接残余应力的作用和焊接接头处的几何不连续性，焊接接头的疲劳强度一般大大低于母材，采用超声捶击方法提高超细晶粒钢焊接接头的疲劳强度，通过对对接接头焊践处进行超声波冲击处理，对比超声波冲击处理后焊接接头的疲劳强度，实验结果表明：超声捶击使得S-N曲线右移，FAT（循环寿命为10^6时的疲劳强度）提高幅度达到66%，在应力范围为200MPa的疲劳寿命提高58倍，研究表明，经超声捶击处理，焊趾处的应力集中系数相应减小，焊接残余应力由拉应力转换为压应力，这是超声捶击提高焊接接头疲劳强度的主要机制。     

激光冲击处理对AISI304钨极氩弧焊接接头残余应力的影响

利用激光冲击波对AISI304不锈钢氩弧焊接接头进行了表面强化处理,用X-350A型X射线应力仪测定了其激光冲击处理后残余应力,分析了残余应力的产生机理.结果表明,激光冲击处理后AISI304焊接接头残余应力为110MPa左右,其强化效果十分明显,显著地降低了焊接接头残余拉应力,并使残余应力分布趋向均匀.     

超声冲击对高速列车转向架焊接十字接头超高周疲劳性能的影响

针对高速列车转向架在实际运用中出现的疲劳问题,利用HJ-Ⅲ型超声冲击处理装置,对高速列车转向架用SAM490BW钢十字接头焊趾进行超声冲击处理,并对处理后接头的超高周疲劳性能进行研究。结果表明,原始焊态试样和超声冲击态试样的S-N曲线均出现了传统意义上的水平段。超声冲击处理试样的疲劳强度相比于未处理试样提高了25%。经过超声冲击处理后,疲劳裂纹源的数量由多个变为单个,焊接接头焊趾处的应力集中系数下降了32.4%,降低了裂纹萌生概率;超声冲击降低了焊趾区域的残余拉应力,并诱发产生残余压应力,高达-255.5 MPa;焊趾表层晶粒得到细化,晶粒平均尺寸小于100nm;裂纹在塑性变形区扩展路径变长。     

超声冲击诱发表面纳米化及其对表面完整性的影响

采用不同超声冲击参数处理SMA490BW钢,研究了冲击后试样在低、高倍下的微观组织特征、残余应力及硬度分布等表面完整性能的变化。实验结果表明,经过超声冲击表面处理后,样品表面层晶粒细化为纳米晶,平均晶粒尺寸约为30nm;并在试样表层引入残余压应力,数值最大约为255.5MPa;超声冲击对SMA490BW钢表面能够起到明显的强化作用,与未经处理的试样相比,处理后试样表面硬度最大提高了约66.7%。超声冲击强化处理改善SMA490BW钢的表面完整性的效果与冲击电流、冲击时间之间的关系不遵循单调变化规律,超声冲击参数为20min/1.5A时,试样具有较好的表面完整性,冲击影响层深度约为320μm。     

激光诱导等离子冲击波改善金属材料疲劳性能及强化机理的研究进展

激光冲击是一种利用等离子冲击波效应的表面强化技术,该技术能显著提高金属材料抗疲劳、磨损、腐蚀等性能。简要阐述了激光冲击强化技术原理、特点及激光诱导的等离子体特性。从激光冲击强化后金属的疲劳行为、强化机理及疲劳延寿机制3个方面总结了国内外激光冲击强化在金属零部件抗疲劳性能方面的研究进展。激光冲击强化机理由最初的残余压应力强化机制转变为目前普遍接受的残余压应力和表面纳米化复合强化机制。冲击后的金属零部件表层硬度显著提高,由表层向内部引入较大的残余压应力,表层晶粒碎化至纳米级,而表面粗糙度基本保持不变,尤其适合表面粗糙度要求较高的最终零部件的强化。在总结疲劳性能研究及强化机理的基础上,对目前激光冲击强化研究中存在的问题进行探讨,并指出下一步研究的关键问题。     

电脉冲辅助超声冲击技术对焊缝残余应力及显微硬度的影响

焊接结构件中存在焊接残余应力,使得焊接构件在使用过程中容易发生断裂,缩短构件的使用寿命.以D36钢焊缝为研究对象,使用电脉冲辅助超声冲击技术处理D36钢焊接件,研究了电脉冲辅助超声冲击技术对焊缝残余应力和显微硬度的影响.研究结果表明:电脉冲辅助超声冲击技术在适当的电流密度和处理时间下消除焊接残余应力和表面强化的作用优于传统的单一超声冲击技术,不仅能够比单一超声冲击技术降低焊缝的残余应力最多达23 MPa,提高焊缝表层的最大硬度达109HV,同时增加强化层深度最多达250μm.     

激光冲击处理对金属微结构及其性能的影响

论述了激光冲击处理的基本原理,分析了激光诱发的冲击波在材料中的传播过程.激光冲击处理会使金属材料表层发生塑性变形而产生很高的残余压应力;冲击区的显微组织中会产生高密度位错,有时亦有孪晶与相变产生;金属材料表层的塑性变形、高残余压应力、高密度位错、孪晶以及相变,这些因素的共同作用使得金属材料表面硬度、疲劳寿命获得很大的提高.     

7020铝合金MIG焊后超声消应处理研究

研究了16mm厚7020铝合金板的熔化极气体保护焊焊接工艺,对焊后试板进行超声冲击消应处理,研究了超声消应前后焊缝残余应力的变化。试验表明,7020铝合金采用熔化极气体保护焊焊接,焊后进行超声消应处理,可有效改善焊缝的残余应力。     

高频冲击表面处理技术

高频冲击表面处理技术是利用高密度能量推动冲击工具(冲击头)以每秒二万次以上的频率冲击金属表面,使表层产生较大塑性变形,从而起到改变材料表面形貌和改善力学性能的作用。高频冲击可用于金属零件的表面强化处理,特别是对提高焊接接头的疲劳性能效果显著,其强化机理是:消除焊接残余拉应力,引入残余压应力场;使焊趾处产生圆滑的几何过渡,减低余高和凹坑造成的应力集中;闭合焊趾表层微小裂纹和消除熔渣缺陷。     

双面激光冲击强化技术研究进展

激光冲击强化利用激光的力效应进行表面强化,传统的激光冲击强化技术为单面冲击,强化复杂型面薄壁件时,难以同时实现形状控制(控形)和疲劳性能控制(控性)。新型的双面激光冲击强化技术是解决复杂型面薄壁件表面强化难题的理想选择。介绍了两种双面激光冲击强化技术的原理和技术特点,对双面激光冲击强化的应力波传播、应力场分布等过程进行了分析,介绍了双面激光冲击强化在控形和控性方面的应用,并对双面激光冲击强化未来的发展进行了展望。     

表面冲击改善铝合金搅拌摩擦焊接头应力腐蚀抗力的研究进展

铝合金广泛应用于航空航天、高速列车等新型装备,搅拌摩擦焊是这些装备的重要制造方法之一。然而,这些焊接结构在建造、服役过程中往往受到腐蚀环境的影响,在外力或残余应力耦合作用下极易发生应力腐蚀。诸多研究证实表面冲击技术可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能,然而关于其防护机理尚处于推测阶段,至今没有统一定论。从应力腐蚀的力学因素和腐蚀因素两方面出发,剖析表面冲击对材料力学性能和耐腐蚀性能的影响,在此基础上,提出了表面冲击抑制铝合金应力腐蚀作用机制的研究方向,即通过构建关系模型定量表征改性层力学因素和腐蚀因素对接头应力腐蚀抗力的贡献率,可为阐明表面冲击抑制铝合金FSW接头应力腐蚀的关键因素及作用机理奠定基础,并为冲击工艺的优化提供理论支持。     

SMA490BW钢对接接头高周疲劳性能的机理探究

通过设计对比试验系统地分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素对转向架用SMA490BW钢对接接头高周疲劳性能的影响,并得出占据主导作用的因素。借助扫描电镜观察疲劳断口,探究对接接头冲击前后的失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨处理后,试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高。将焊缝余高彻底磨平对接头疲劳寿命的增益效果最为显著,其疲劳寿命相比原始对接接头可提高近百倍。改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对对接接头延寿的贡献占比分别约为58%、29%和13%。对接接头的疲劳失效大多始于焊趾表面,经超声冲击处理后,疲劳裂纹源可能由材料表面转向内部缺陷。     

金属焊接接头疲劳寿命延长技术综述

疲劳断裂是金属构件在循环或交变载荷作用下长期服役过程中的主要失效形式.焊接是重要的金属成型方法,焊接接头是同种金属或异种金属连接的部位,是焊接金属构件上组织结构和力学性能的渐变区.由于金属构件服役的环境越来越苛刻,长期在循环或交变载荷作用下服役时,焊接接头的疲劳问题也越来越突出.因此,如何延长金属构件焊接接头疲劳寿命已经成为广泛关注的重要科学问题.由于金属焊接工艺复杂,含有焊接接头的金属构件疲劳寿命受多种因素影响.本文首先总结了影响焊缝疲劳寿命的关键因素,包括组织变化、焊接缺陷、应力集中、残余应力等.由于焊接接头存在组织演变、几何结构变化以及焊接缺陷等问题,焊接接头疲劳性能通常较基体大幅下降.随后综述了多种焊缝疲劳延寿技术,如焊缝打磨技术、锤击技术、TIG熔修技术、高频机械冲击技术、低相变温度焊接材料技术等.根据焊缝疲劳延寿技术特征,大致分为焊缝形状修饰法、焊缝残余应力法和低相变温度材料法三类.     

钛合金焊接接头超长寿命疲劳特性研究

本文针对TC4钛合金焊接接头试件进行了超声疲劳实验,研究其在高频低幅载荷作用下的超高周疲劳行为,整个实验在室温条件下进行,应力比R=-1.通过实验得到了TC4焊接接头试件在107～109周次范围内的疲劳寿命S-N曲线,发现其呈连续下降趋势,当循环周次超过107周次以后,材料仍然会发生疲劳破坏,断面出现在焊接缝中央或热影响区,呈现脆性断裂的形式,不存在传统意义上的疲劳极限.对比TC4母材实验数据发现,在相同疲劳寿命的条件下,焊接接头试件疲劳强度相比母材下降了70％左右.试件断口表面的SEM电镜扫描分析结果显示疲劳裂纹均起源于焊接过程引起的气孔、夹杂等缺限处.